DSP最小系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

1、緒論DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快1050倍。DSP具有可編程特性、運(yùn)算速度快及接口靈活的特點(diǎn)，使得它在電子產(chǎn)品的研制中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。采用DSP器件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)。在DSP領(lǐng)域，美國(guó)TI(德州儀器)公司生產(chǎn)的TMS320家族DSP芯片以其獨(dú)特的哈佛結(jié)構(gòu)、硬件密集型方案以及靈活的指令系統(tǒng)，成為數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)業(yè)中的領(lǐng)先者。其C5000系列是16位定點(diǎn)、速度為40M1PS200MIPS、可編程、低功耗和高新能的DSP，在有線和無(wú)線通信、IP電話、便攜式信息系統(tǒng)、手機(jī)、助聽(tīng)

2、器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。最小系統(tǒng)模塊是使得DSP芯片能夠工作的最精簡(jiǎn)模塊。如何以最短的開(kāi)發(fā)周期開(kāi)發(fā)出適于自己應(yīng)用的高性能低成本的DSP最小系統(tǒng)模塊，是進(jìn)行DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的第一步。最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)是對(duì)TI公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5402進(jìn)行最小系統(tǒng)模塊硬件設(shè)計(jì)，它可以很方便地與外圍模塊組合成不同功能的應(yīng)用系統(tǒng)。1 DSP簡(jiǎn)介1.1 DSP 的應(yīng)用領(lǐng)域在近 20 多年時(shí)間里，DSP 芯片的應(yīng)用已經(jīng)從軍事、航空航天領(lǐng)域擴(kuò)大到信號(hào)處理、通信、雷達(dá)、消費(fèi)等許多領(lǐng)域 。主要應(yīng)用有信號(hào)處理、通信、語(yǔ)音、圖形、圖像、軍事、儀器儀表、自動(dòng)控制、醫(yī)療、家用電器

3、等。DSP 主要應(yīng)用市場(chǎng)為3C 領(lǐng)域，占整個(gè)市場(chǎng)需求的 90%。 數(shù)字蜂窩電話是 DSP最為重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。由于 DSP 具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，使得移動(dòng)通信的蜂窩電話重新崛起，并創(chuàng)造了一批諸如 GSM、CDMA 等全數(shù)字蜂窩電話網(wǎng)。在Modem 器件中，DSP 更是成效卓著，不僅大幅度提高了傳輸速率，且具有接收動(dòng)態(tài)圖像能力。另外，可編程多媒體 DSP 是 PC 領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。以XDSL Modem為代表的高速通信技術(shù)與 MPEG 圖像技術(shù)相結(jié)合，使得高品位的音頻和視頻形式的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)有可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交換。目前的硬盤空間相當(dāng)大，這主要得益于CDSP（可定制 DSP）的巨大作用。預(yù)計(jì)在今后的 P

4、C 機(jī)中，一個(gè) DSP 即可完成全部所需的多媒體處理功能。DSP 也是消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的關(guān)鍵器件。由于 DSP的廣泛應(yīng)用，數(shù)字音響設(shè)備的更新?lián)Q代周期變得非常短暫。用于圖像處理的 DSP，一種用于 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理；另一種用于動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)處理。1.2 DSP的特點(diǎn)DSP 芯片是模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用微處理器，其處理速度比最快的 CPU 還快 10-50 倍，具有處理速度高、功能強(qiáng)、性能價(jià)格比好以及速度功耗比高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于具有實(shí)時(shí)處理要求的場(chǎng)合。DSP 系統(tǒng)以 DSP 芯片為基礎(chǔ)，具有以下優(yōu)點(diǎn)。1高速性，DSP運(yùn)行速度高達(dá)1000MIPS以上2編程

5、方便，可編程DSP可使設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程中靈活方便的對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)。3穩(wěn)定性好，DSP系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度及噪聲的影響比較小，可靠性高。4可重復(fù)性好，數(shù)字系統(tǒng)的性能基本上不受元器件參數(shù)性能的影響，便于測(cè)試、調(diào)試TMS320VC5402最小系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)和大規(guī)模生產(chǎn)。5集成方便，DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。6性價(jià)比高,常用的DSP價(jià)格在5美元以下。2 TMS320VC5402 的硬件結(jié)構(gòu)TMS320VC5402 是 TI 的第七代 DSP 產(chǎn)品之一，它具有優(yōu)化的 CPU 結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有 1 個(gè) 40 位的算術(shù)邏輯單元(包括一個(gè) 40 位的桶式移位寄存器和

6、 2 個(gè)獨(dú)立的 40 位累加器)，一個(gè) 17×17 的乘法器和一個(gè) 40 位專用加法器，16K 字 RAM 空間和 4K×16bit ROM 空間。共 20 根地址線，可尋址 64K 字?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)和 1M 字程序區(qū)，具有 64K I/O 空間。處理速度為 l00M IPS ，速度高、功耗低。TMS320VC5402 采用修正的哈佛結(jié)構(gòu)和 8 總線結(jié)構(gòu)(4 條程序/數(shù)據(jù)總線和 4條地址總線)，以提高運(yùn)算速度和靈活性。在嚴(yán)格的哈佛結(jié)構(gòu)中，程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別設(shè)在兩個(gè)存儲(chǔ)空間，這樣，就允許取址和執(zhí)行操作完全重疊。修正的哈佛結(jié)構(gòu)中，允許在程序和數(shù)據(jù)空間之間傳送數(shù)據(jù)，從而使處理器具

7、有在單個(gè)周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、位操作、乘法累加運(yùn)算以及訪問(wèn)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的強(qiáng)大功能。與修正的哈佛結(jié)構(gòu)相配合， TMS320VC5402 還采用了一個(gè) 6 級(jí)深度的指令流水線，每條流水線之間彼此獨(dú)立，在任何一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以有 1 至 6 條不同的指令在同時(shí)工作，每條指令工作在不同的流水線上，使指令的執(zhí)行時(shí)間減小到最小和增大處理器的吞吐量。TMS320VC5402 的硬件結(jié)構(gòu)具有硬件乘法器、8 總線結(jié)構(gòu)、功能強(qiáng)大的片內(nèi)存儲(chǔ)器配置和低功耗設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。因此，可以進(jìn)行高速并行處理，同時(shí)，集成度高可節(jié)省硬件開(kāi)銷，提高系統(tǒng)抗干擾性。它除了完成數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)外，還可以兼顧通用單片機(jī)的操作任務(wù)

8、，因此，它是集數(shù)字信號(hào)處理與通用控制電路于一體的多功能低功耗微處理器。綜上所述 TMS320VC5402 的 CPU 結(jié)構(gòu)特征如下。(1)具有高性能的改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，即具有三條獨(dú)立的 16bit 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和一條 16bit 的程序存儲(chǔ)器總線。(2)具有一個(gè) 40bit 的算術(shù)邏輯單元，包括一個(gè) 40bit 的筒形移位器和兩個(gè)獨(dú)立的加法器。(3)17×17bit 的并行乘法器與專用的 40bit 加法器相結(jié)合。(4)具有專用于 Viter bi 蝶形算法的比較、選擇、和存儲(chǔ)單元(CSSU)。(5)指數(shù)譯碼器可以在一個(gè)指令周期內(nèi)求一個(gè) 40bit 累加數(shù)的指數(shù)值，這里的指數(shù)定義

9、為累加器中沒(méi)有數(shù)據(jù)占用的位數(shù)的個(gè)數(shù)減去 8。(6)兩個(gè)地址發(fā)生器、八個(gè)輔助寄存器和兩個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元(ARAU)。3 TMS320VC5402最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)硬件組成基于TMS320C5402最小系統(tǒng)系統(tǒng)框圖。此最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘及復(fù)位電路、JTAG仿真調(diào)試接口電路以及供電系統(tǒng)，外加WATCH DOG電路等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如下：圖3-1 最小系統(tǒng)框圖3.2 各功能模塊設(shè)計(jì)3.2.1 5V電源產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)電源電路為系統(tǒng)中DSP芯片及其他元器件提供電源。設(shè)計(jì)時(shí)主要從電源電壓結(jié)構(gòu)、電流要求及加電次序等三個(gè)方面考慮。TMS320VC5402采用了低電壓方式，可以大大降低DSP芯片的功耗，

10、DSP芯片的電源分兩種，即內(nèi)核電源(CVdd)和I/O電源(DVdd) 。I/O電源采用3.3V電壓，內(nèi)核供電為1.8V。5V電源產(chǎn)生電路主要功能是將220V的市電經(jīng)變壓器降成9V交流電，通過(guò)整流橋整流、電容濾波、再通過(guò)三端集成穩(wěn)壓器78L05輸出穩(wěn)5V電壓，為TPS73HD318提供5V輸入。電路連接圖如下。圖3-2 電源產(chǎn)生電路原理圖3.2.2 TMS320C5402的電源設(shè)計(jì)TMS320VC5402系統(tǒng)需要的電源類型：CPU核電源、I/O電源。上電次序：CPU內(nèi)核先于I/O上電，后于I/O掉電。數(shù)字部分和模擬部分獨(dú)立供電。以芯片TPS73HD318設(shè)計(jì)DSP的電源，TPS73HD318采

11、用了雙電源供電機(jī)制，以獲得更好的電源性能，其工作電壓為3.3V和1.8V。與3.3V供電相比，1.8V供電可以大大降低功耗。外部接口引腳仍采用3.3V電壓，便于直接與外部低壓器件接口，而無(wú)需額外的電平轉(zhuǎn)換。芯片還提供了兩個(gè)寬度為200ms的低電平復(fù)位脈沖。給TPS73HD318提供5V輸入，就可以得到3.3V、1.8V的輸出電壓，其設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示。圖3-3 TMS320C5402電源原理圖3.2.3 時(shí)鐘電路和JTAG接口電路設(shè)計(jì)TMS320VC5402內(nèi)部有震蕩電路，外接晶體及負(fù)載電容即可正常工作。當(dāng)然也可以不使用內(nèi)部震蕩電路，直接輸入時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)使用外接晶體時(shí)，要配置正確的負(fù)載電容（

12、0-30pF），使輸出時(shí)鐘頻率精確、穩(wěn)定。TMS320VC5402有片內(nèi)鎖相環(huán)PLL（Phase-Locked Loops)可以對(duì)輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻或者是倍頻。TMS320VC5402 片內(nèi)PLL分頻及倍頻系數(shù)由片內(nèi)寄存器CLKMD控制，CLKMD上電時(shí)的值由上電時(shí)對(duì)外部管腳CLKMD1、 CLKMD2、 CLKMD3電平采樣設(shè)定。JTAG是Joint test Action Group的簡(jiǎn)稱，又稱JTAG口，它是一符合IEEE Std 1149.1邊界掃描邏輯標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)接口。它主要用于在硬件上對(duì)DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)在線仿真測(cè)試和DSP程序的下載，它提供對(duì)所連接設(shè)備的邊界掃描，同時(shí)也可以用來(lái)測(cè)試

13、引腳到引腳的連續(xù)性，以及進(jìn)行DSP芯片的外圍器件的操作測(cè)試。本次設(shè)計(jì)利用DSP芯片內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘電路，在芯片的Xl和X2/CLKIN引腳之間接入一個(gè)晶體，用于啟動(dòng)內(nèi)部振蕩器。目前流行的DSP都備有標(biāo)準(zhǔn)的JTAG（Joint Test Action Group）接口，主要用于在線仿真調(diào)試。本設(shè)計(jì)中DSP和仿真器之間的連接電纜超過(guò)6 in，將數(shù)據(jù)傳輸腳加上驅(qū)動(dòng)，此上拉電阻取10K。兩模塊與TMS320C5402的連接方式如圖所示。圖3-4 時(shí)鐘電路和JTAG接口原理圖3.2.4 復(fù)位和WATCH DOG電路設(shè)計(jì)TMS320VC54X復(fù)位有三種方式，即上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、軟件復(fù)位。前兩種是通過(guò)

14、硬件電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)位，后一種是通過(guò)指令方式實(shí)現(xiàn)的復(fù)位。在系統(tǒng)剛接通電源時(shí)，復(fù)位電路應(yīng)處于低電平以使系統(tǒng)從一個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始。這段低電平時(shí)間應(yīng)該大于系統(tǒng)的晶體振蕩啟振時(shí)間，以便避開(kāi)振蕩器啟振時(shí)的非線性特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。工作中復(fù)位則要求復(fù)位的低電平至少保持6個(gè)時(shí)鐘周期，以使芯片的初始化能夠正確完成。當(dāng)時(shí)鐘電路工作后，只要在RS引腳上出現(xiàn)2個(gè)外部時(shí)鐘周期以上的低電平，芯片內(nèi)部所有電路寄存器都初始化復(fù)位。只有當(dāng)此引腳變?yōu)楦唠娖胶?，芯片?nèi)的程序才可以從0FF80h地址開(kāi)始執(zhí)行。通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。當(dāng)按鈕按下時(shí)，將電容C12上的電荷通過(guò)按鈕串接的電阻R3釋放掉，使電容C12上的電壓降為0。當(dāng)按鈕松開(kāi)時(shí)，

15、由于電容C12上的電壓不能突變，所以通過(guò)電阻R2進(jìn)行充電，充電時(shí)間由R2C12的乘積值決定，一般要求大于5個(gè)外部時(shí)鐘周期，可根據(jù)具體情況選擇。這樣就可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鈕復(fù)位?？撮T狗電路起著監(jiān)視DSP動(dòng)作的作用。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)I/O輸出給看門狗的輸入端WDI腳正脈沖，兩次脈沖時(shí)間間隔不大于1.6s，則引腳永遠(yuǎn)為高電平，說(shuō)明DSP程序執(zhí)行正常。但如果程序跑飛，就不可能按時(shí)通過(guò)I/O輸出發(fā)出正脈沖。當(dāng)兩次發(fā)出正脈沖的時(shí)間間隔大于1.6s時(shí)，看門狗便使置為低電平，將使系統(tǒng)復(fù)位。兩模塊的連接方式如圖所示。圖3-5 復(fù)位電路原理圖3.2.5 存儲(chǔ)器擴(kuò)展TMS320VC5402片內(nèi)有4k×16b

16、its的ROM和16k×16bits的DARAM。用戶的程序不能直接寫在片上ROM上，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該在片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶的程序代碼。另外，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行中，DSP往往要做大量的數(shù)據(jù)處理工作，經(jīng)常有一些采集到的或生成的數(shù)據(jù)需要及時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)或調(diào)用，因此當(dāng)片上16k的DARAM不夠用時(shí)，需要外部擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。TMS320VC5402只能外接異步存儲(chǔ)器。同步存儲(chǔ)器接口是數(shù)據(jù)、地址和控制總線使用統(tǒng)一的時(shí)鐘進(jìn)行同步，如SDRAM、同步FIFO等。異步存儲(chǔ)器接口是數(shù)據(jù)、地址和控制總線無(wú)統(tǒng)一的時(shí)鐘進(jìn)行同步，如SRAM、FLASH等。FLASH接口控制信號(hào)的生成與SRAM基本相同，所不同的是

17、在對(duì)FLASH進(jìn)行讀寫的時(shí)候等待周期要設(shè)得更長(zhǎng)，具體值要根據(jù)5402的當(dāng)前頻率以及不同型號(hào)FLASH的數(shù)據(jù)手冊(cè)。FLASH在寫入的時(shí)候與SRAM不同，必須使用擦除和寫入命令序列，廠商不同，命令序列稍有不同。MS320VC5402在外接存儲(chǔ)器時(shí)的注意事項(xiàng)：如沒(méi)有使用的管腳要做適當(dāng)?shù)奶幚恚篟EADY和HOLD上拉。如果外部總線上掛接的設(shè)備較多，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶砑涌偩€驅(qū)動(dòng)設(shè)備，如244，245等。為了布線的方便，SRAM的地址和數(shù)據(jù)總線可以適當(dāng)?shù)慕粨Q，而FLASH不行。圖3-6 SRAM存儲(chǔ)器與5402接口TMS320VC5402提供了兩種程序運(yùn)行方式：微處理器方式和微計(jì)算機(jī)方式。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，CPU會(huì)自動(dòng)

18、檢測(cè)引腳的狀態(tài)，來(lái)判斷采用哪種方式運(yùn)行程序。微計(jì)算機(jī)方式是通過(guò)引導(dǎo)程序?qū)⒂脩舸a從外部加載至片內(nèi)RAM或擴(kuò)展的RAM中，以便實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。微計(jì)算機(jī)方式省去了對(duì)DSP片內(nèi)ROM進(jìn)行掩膜編程等操作，節(jié)省了大量費(fèi)用，并且可以使用戶代碼存儲(chǔ)在片外相對(duì)慢速、非易失性器件中，而裝載運(yùn)行于高速器件，提高了運(yùn)行速度，因此被廣泛采用。5402提供了多種引導(dǎo)模式。如圖3-7所示:圖3-7 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路圖3-7為使用并行引導(dǎo)模式為5402外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路圖。圖中，SST29LE010是SST公司的29系列128k×8bits多用途閃速存儲(chǔ)器(FLASH)中的一種，它采用低電壓(3036V)供電?？芍苯优cDSP連接。根據(jù)并行引導(dǎo)模式的特點(diǎn)，將FLASH配置為5402的外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。4 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖總結(jié)作為一個(gè)電信本科生，掌握DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)是非常重要的，通過(guò)對(duì)本課題的學(xué)習(xí)，了解了DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，鍛煉獨(dú)立設(shè)計(jì)電路的能力和動(dòng)手能力。這次課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了